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Sumário
INTRODUÇÃO...........................................................................................................................4
1. PRINCIPAIS MATÉRIAS PRIMAS.................................................................................5
2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO.....................................................................................5
2.1 Obtenção de celulose pelo método Kraft.....................................................................5
2.1.1 Decortiificação e Picagem......................................................................................7
2.1.2 Cozimento dos Cavacos.........................................................................................7
2.1.3 Lavagem da Polpa de Celulose....................................................................8
2.1.4 Processo de Recuperação do Subproduto (licor preto).....................................9
2.1.5 Branqueamento da Polpa Celulósica....................................................................9
2.1.6 Secagem.................................................................................................................10
3. RESIDUOS.......................................................................................................................11
4. ASPECTOS ECONÔMICOS........................................................................................11
5. BALANÇO DE MASSA.....................................................................................................12
5.1 Processo em Batelada.................................................................................................12
5.2 Sistema Contínuo.........................................................................................................13
6. BALANÇO DE ENEGIA....................................................................................................13
7. DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS.............................................................14
7.1 Tipos de Equipamentos no Processo Kraft...............................................................14
8. CUSTO E INDICE ECONÔMICO.....................................................................................15
8.1 Classificação de Custos...............................................................................................16
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INTRODUÇÃO
A celulose é um polímero de cadeia longa composto de um só
monômero (glicose), classificado como polissacarídeo ou carboidrato. É um
dos principais constituintes das paredes celulares das plantas (cerca de 33%
do peso da planta), em combinação com a lignina, com hemicelulose e pectina
e não é digerível pelo homem, constituindo uma fibra dietética. Alguns animais,
particularmente os ruminantes, podem digerir celulose com a ajuda de
microrganismos simbióticos.A estrutura da celulose se forma pela união de
moléculas de β-glicose (uma hexosana) através de ligações β-1,4-glicosídicas.
Sua hidrólise completa produz glicose. A celulose é um polímero de cadeia
longa de peso molecular variável, com fórmula empírica (C6H10O5)n, com um
valor mínimo de n=200 (tipicamente 300 a 700, podendo passar de 7000).
A celulose tem uma estrutura linear, fibrosa e húmida, na qual se
estabelecem múltiplas ligações de hidrogênio entre os grupos hidroxilas das
distintas cadeias juntapostas de glicose, fazendo-as impenetráveis a água e,
portanto, insolúveis, originando fibras compactas que constituem a parede
celular dos vegetais.
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1. PRINCIPAIS MATÉRIAS PRIMAS
A polpa de celulose é obtida industrialmente a partir da madeira de
árvores como o pinho, o eucalipto ou o abeto, e em menor proporção de
plantas herbáceas com grande quantidade de celulose no talo, como a cana-
de-açúcar, diversas gramíneas e juncos, e é usada pelas indústrias de papel e
papelão ou pelas indústrias químicas, que convertem essa polpa (ou algodão)
em celulóide (antigamente usado para filmes cinematográficos), explosivos,
celofane, acetato de celulose, carboximetilcelulose (lubrificantes e
emulsificantes) e outros.
2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO
O processo para obtenção de polpa de celulose é usado principalmente
para fabricação de papel e papelão. A matéria-prima (troncos ou talos
herbáceos) deve ser limpa e descascada e depois submetida à trituração
mecânica em máquinas de lâminas múltiplas. O material triturado pode sofrer
diferentes tratamentos para separar a lignina — substância que une as fibras
da celulose. Pode ser batida com sulfeto de sódio (processo Kraft).
Posteriormente, o produto é lavado, depurado e embranquecido. Conforme o
tipo de árvore obtém-se a celulose de fibra curta ou de fibra longa. Essa
característica torna o papel resultante mais absorvente ou mais resistente,
respectivamente.
2.1 Obtenção de celulose pelo método Kraft
O processo soda foi o primeiro método químico de polpação
reconhecido com a utilização de uma solução alcalina forte de hidróxido de
sódio para deslignificação de cavacos de madeira. As propriedades de
resistência superiores reconhecidas aos novos tipos de papéis foram
chamados papéis Kraft ou fortes, já que Kraft é a palavra alemã para forte. O
processo Kraft de produção de celulose tem como função dissolver e extrair a
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lignina da madeira, com o objetivo de liberar as fibras com o mínimo de
degradação dos carboidratos (celulose e hemicelulose).
Fluxograma do processo de fabricação
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2.1.1 Decortiificação e Picagem
A decortificação e picagem da madeira visam produzir "Cavacos" com
dimensões em torno de 20 mm- 25 mm, de forma a expor a madeira ao futuro
contato com os produtos químicos e vapor. As toras de madeira devem ser em
tamanho uniforme e com casca. A seguir, vem o peneiramento dos cavacos
produzidos durante a picagem. Esta operação evita nas etapas seguintes do
processo, cavacos muito grandes ou muito pequenos. Estas duas frações
causariam perda de rendimento e outros inconvenientes operacionais.
2.1.2 Cozimento dos Cavacos
Os cavacos têm dimensões controladas que permitem a penetração
dos produtos químicos durante o cozimento. Isso facilita o amolecimento da
madeira e a degradação das fibras, separando-as da lignina, uma espécie de
cola que mantém as fibras unidas. Os cavacos vindos de um transportador ou
diretamente descarregados de um silo são alimentados no digestor.
Carga de Licor de Cozimento: A adição de licor de cozimento- solução
de soda e sulfeto de sódio (NAOH +Na2S) do processo sulfato Kraft – pode ser
efetuada ao mesmo tempo em que a carga de cavacos. O licor ajuda a
compactar os cavacos e deve penetrar nos cavacos de madeira de maneira
mais homogênea possível.
Aquecimento: Fecha-se a tampa do digestor e injeta-se vapor direto
para aquecimento ou circula-se licor negro aquecido indiretamente por vapor. O
tempo de aquecimento é de aproximadamente 2 horas.
Cozimento: A temperatura de cozimento é de aproximadamente 170° C
e o tempo de cozimento à temperatura máxima depende da concentração e
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quantidade de licor em relação à madeira e também do tipo de polpa desejada.
No processo Kraft varia de 1 a 2 horas. A pressão no digestor atinge cerca de
8-10 Kg/cm2.
Quando o ciclo de cozimento está completo, abre-se a válvula na parte
inferior do digestor, descarregando-se a celulose somente pela ação da
pressão do vapor dentro do digestor.
2.1.3 Lavagem da Polpa de Celulose
O método mais comum emprega uma série de tambores lavadores à
vácuo no sistema contra corrente, para permitir uma retirada do licor com o
mínimo de diluição. Alguns digestores contínuos incorporam uma etapa de
lavagem por difusão em conjunto com a extração do licor gasto e esfriamento
da polpa. A lavagem tem a finalidade de separar as fibras de celulose para um
lado e seus contaminantes (lignina e produtos químicos) para outro. Com isto,
atende-se 2 objetivos : 1.Permitir que a celulose prosseguisse "limpa" para o
processo de Branqueamento. 2. Permitir que os produtos químicos
"contaminantes” e material orgânico sejam encaminhados à outra área da
fabrica, com fim de recuperar os produtos químicos e gerar energia.
A vantagem da lavagem é que ela reduz o consumo de alvejante
utilizado no branqueamento.
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2.1.4 Processo de Recuperação do Subproduto (licor preto)
O filtrado obtido no primeiro estágio de lavagem, chamado de licor
preto, contem matéria orgânica e produtos químicos à base de sódio.
Normalmente é levado para um sistema de evaporação e caldeira de
recuperação com a finalidade de recuperar os produtos químicos, gerar vapor
de água e evitar a poluição.
A recuperação dos produtos químicos e energia do licor preto residual
e reconstituição dos produtos químicos recuperados para formar licor branco
são integrais na operação de uma fábrica Kraft.
O “licor preto fraco” (cerca de 15% de sólidos) dos lavadores do
estoque marrom é processado de acordo com as seguintes etapas:
• 1- Concentração através de uma série de evaporadores e adição
de produtos químicos em “licor preto pesado” com 70-75% de sólidos.
• 2- Incineração do licor negro pesado na caldeira de recuperação
para formar o “Smelt” inorgânico.
• 3- Dissolvimento do “Smelt” em água para formar o licor verde.
• 4- Caustificação do licor verde com cal queimada para formar licor
branco para o próximo ciclo.
Uma importante função da recuperação é da redução química dos
compostos óxidos sulfurosos contidos nos sólidos queimados a sulfeto. Este
aspecto da operação na fornalha é monitorado com medições de eficiência de
redução. Controle da concentração do licor verde é essencial para uma
operação sem problemas no ciclo do licor. O nível pretendido está
compreendido entre dois fatores.
• Uma alta concentração aumenta a quantidade de soda, a qual
ajudará a nivelar a operação e evitar interrupções. Mas, uma concentração
baixa, melhora a eficiência da caustificação, assegurando que uma menor
carga morta da Na2Co3 não reativo participe do ciclo do licor.
2.1.5 Branqueamento da Polpa Celulósica
O objetivo do branqueamento é branquear e limpar a polpa pela
remoção de substâncias que absorvem luz. Em polpas químicas, o
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branqueamento dá-se por remoção de cromóforos, que são os compostos
orgânicos que conferem a cor escura à polpa. A celulose simplesmente lavada
com água ainda apresenta cor marrom, devido a presença de lignina oxidada.
O branqueamento da celulose é feito pela oxidação ou remoção da
lignina das fibras através da ação de produtos químicos. Existem diversas
etapas viáveis para o branqueamento, dependendo do grau de alvura desejado
e de outros fatores.
2.1.6 Secagem
A polpa armazenada na torre de estocagem após o branqueamento é
bombeada para o setor de secagem, passando primeiramente por um sistema
de depuração pressurizada, que tem como função a remoção de eventuais
impurezas ainda presentes na polpa, tais como resinas, incrustações,
ferrugens, etc.
A Linha de Secagem começa com a seção de formação e sistemas de
prensagem, a qual atinge um teor seco de 55% antes de entrar no túnel
secador, onde troca calor com o ar quente soprado, atingindo teor seco da
ordem de 90%. De 0,5 a 1,0 ton.vapor/t.polpa é despedido no processo de
secagem da celulose. Na saída do secador, a folha é cortada em folhas de 67
cm x 92 cm com gramatura da ordem de 600 g/m2 a 1.000 g/m2. Após o corte,
as folhas são empilhadas para formar fardos de 250 kg, que são transportados
por esteiras até a linha de embalagem, onde serão prensados e embrulhados
com folhas maiores (capas) e amarrados individualmente com arames após
receberem a identificação de lote por sistema Ink Jet.
Existem diversos processos para a secagem, a celulose após o
desaguamento nas prensas:
Secagem da folha em cilindros secadores;
Secagem da folha por fluxo de ar quente (Flakt Dryer);
Secagem da celulose sem formação da folha (Flash Dryer).
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3. RESIDUOS
Cinzas da caldeira de recuperação;
Tatol- proveniente da recuperação do licor preto;
Compostos organoclorados proveniente do branqueamento.
4. ASPECTOS ECONÔMICOS
Em 2008, o Brasil alcançou o posto de 4º maior produtor mundial de
celulose;
Em 2009, o Brasil produziu cerca de 13,5 milhões de toneladas;
100% da produção brasileira vêm de florestas plantadas;
5. BALANÇO DE MASSA
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5.1 Processo em Batelada
A alimentação é carregada no sistema no começo do processo, e os
produtos são retirados todos juntos depois de algum tempo. Não existe
transferência de massa através dos limites do sistema entre o momento da
retirada dos produtos.
Digestor por batelada de aquecimento direto
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5.2 Sistema Contínuo
É um processo geralmente aberto e em grande escala. As entradas e
saídas fluem continuamente ao longo do tempo total da duração do processo.
6. BALANÇO DE ENEGIA
Balanço de energia nada mais é do que a aplicação da primeira Lei da
Termodinâmica, que é essencialmente um estabelecimento matemático do
principio da conservação da energia aplicada aos sistemas. Embora a energia
possa assumir diferentes formas, a quantidade total de energia é constante,
que a energia não pode ser criada, nem destruída, apenas transformada. A
propriedade é um atributo ou uma característica de um sistema que pode ser
medida ou calculada e é função das condições do sistema.
Na produção de papel celulose é utilizado tanto o sistema fechado,
quanto o aberto. Isto se deve ao fato de ser utilizado o processo continuo e o
de batelada em diferentes etapas da produção. Sendo que no sistema fechado
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não o atravessamento de matéria em suas fronteiras, enquanto o processo
ocorre já no processo aberto há a passagem da matéria através da fronteira.
7. DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS
As propriedades físicas de vários fluidos típicos do processo de
produção de celulose, referências importantes para o dimensionamento de
bombas, equipamentos e especificações de instrumentos da indústria de
celulose e papel.
Foram destacadas principalmente as seguintes propriedades:
Densidade (em kg/l): propriedade física que expressa a massa por
unidade de volume de uma substância;
Calor específico (em kcal/kg ºC): Energia fornecida a 1 kg de fluido
para aquecer em 1ºC a sua temperatura.
Pressão de vapor (em metros de coluna de líquido – mcl abs): pressão
exercida pela fração evaporada de um fluido, depois de atingido
equilíbrio de fases, numa dada temperatura.
Viscosidade (em centipoises - cP): aquela medida em um único ponto, e,
através de cisalhamento constante. Viscosímetros usuais: Brookfield e
Haake.
Os valores de densidade, calor específico e viscosidade, indicados
para licor preto, por exemplo, são utilizados para dimensionamento dos
evaporadores de licor preto, assim como para os sistemas de bombeamento da
linha de fibra.
7.1 Tipos de Equipamentos no Processo Kraft
Tambor decortificador;
Cortadeira;
Digestor;
Tanque de dissolução;
Tanque de esgotamento;
Tanque de estocagem da massa parda;
Lavadores de polpa;
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Evaporadores a múltiplo efeito (processo de recuperação do licor preto);
Evaporador a contato direto;
Coletor de fumos;
Tanque de misturação do sulfato e sódio;
Calefator a vapor;
Fornalha de recuperação;
Aquecedor de ar;
Tanque de caustificação;
Tanque de sedimentação;
Batedeira;
Secador.
8. CUSTO E INDICE ECONÔMICO
Considerando que o custo de madeira para celulose e o custo de
energia (madeira de energia óleo combustível, gás natural e energia elétrica)
representam cerca de 40% a 60% do custo variável para produção de celulose,
esforços dever ser direcionados para minimizar o consumo especifico de
madeira e maximizar o uso de biomassa e madeira para a produção de
energia, o que implica em menor dependência de grandes áreas florestais para
plantio e da compra de insumos energéticos, cujos preços oscilam em função
do cenário econômico brasileiro e mundial. Assim os custos são diretamente
gerenciáveis pela produção de madeira, atuando-se diretamente na gestão
florestal.
A indústria brasileira de celulose é uma das mais fortes do setor
florestal tendo os mais baixos custos de produção do mundo.
Custo de produção da celulose –US$/ tonelada Brasil
Madeira Energia Quimicos 88-90 ISO Trabalho Outros Custo total
85 31 25 110 40 197
Diferenças de custo de dispêndio de madeira e área florestal necessária para manter uma produção anual de 1.000000 de toneladas de celulose.
Quadro comparativo de consumo de madeira
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Caso Consumo especifico 1 m³/ ton.celulose
Preço madeira R$/m³
Custo especifico R$/ ton.celulose
Produção celulose ton. Celulose/ano
1 3,5 60 210 1.0000002 4,5 60 270 1.000000
Caso Dispendio madeira MM R$/ ano Produtividade florestal m³/ ha/ ano
Área florestal ha
1 210 40 87.5002 270 30 150.000
8.1 Classificação de Custos
Custo Direto: facilmente atribuível ao produto; Custo Indireto: certa dificuldade de atribuição; Custo Variável: varia com o volume de produção Custo Fixo: Independe do volume de produção
Exemplos:
Matéria prima Embalagens Materiais de consumo Mão de obra Salários da supervisão Depreciação das máquinas Energia elétrica Aluguel do prédio Custo da Produção do Período Custo da produção acabada Custo dos produtos vendidos Custo dos produtos em elaboração Custo de transformação (MOD + CIF) Custo primário (MP + MOD).
Exemplo:Comissões de vendedores $ 80.000
Salários de Fábrica 120.000
Matéria prima consumida 350.000
Salários da administração 90.000
Depreciação na fábrica 60.000
Seguros na fábrica 10.000
Despesas financeiras 50.000
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Honorários da diretoria 40.000
Materiais diversos - fábrica 15.000
Energia elétrica - fábrica 85.000
Manutenção - fábrica 70.000
Despesas de entrega 45.000
Correios, telefone e telex 5.000
Material de consumo - escritório 5.000
Gastos totais - abril 1.025.000
